一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法技术

本发明专利技术涉及先进制造与自动化技术领域，特别是涉及一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法，该方法包含施工装备实体：用于在实际施工中产生动态参数；数据采集平台：用于实现相关参数的传感、采集、传输及处理；数字孪生模型：通过融合相关的几何/物理模型进行仿真，结合输入的参数，实时预测打桩模型的后续状态，输出预测参数；智能调控系统：实时可视化显示当前打桩过程的核心参数数值并输出部分参数的预测值。本发明专利技术可以实现对沉桩过程的核心参数进行远程实时监测，同时预测后续的变化情况；在实际施工中可以根据数字孪生模型输出的预测结果优化施工过程，提高沉桩过程的安全性、效率以及保证沉桩过程中的各项技术指标符合国家标准。国家标准。国家标准。

【技术实现步骤摘要】
一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法


[0001]本专利技术涉及先进制造与自动化
，特别是涉及一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法。

技术介绍

[0002][0003]安装海上风机是利用风能源的一种重要途径，目前桩基础为安装海上风机的一种重要安装形式。随着海上风机装机容量的不断加大以及装机离岸距离越来越远，对风机的安装提出了更高的要求，只有不断优化现有的沉桩施工过程，才能保证高质量、高精度、高效率的完成海上风机安装。
[0004]目前的沉桩过程主要检测目标对象为桩体安装垂直度及桩的贯入度，但目前采用的检测方法是每相隔一定的锤击次数或桩体位移检测一次，若符合要求则继续施工，不符合则停下来进行调整。所以目前的沉桩过程并不能实时、连续的监测施工过程中核心参数的变化，更不能随着作业实际情况进行动态调整，而沉桩设备调控不及时、不准确等问题可能会导致在沉桩过程中发生贯入度剧变、桩身倾斜或桩出现严重裂缝等严重施工问题，不仅会造成巨大的财产损失，还会酿成安全事故。因此，对沉桩过程的核心参数进行远程实时监测，同时预测后续的变化情况，对保证高精度、高效率的完成海上风机安装具有重要的现实意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的是针对
技术介绍
中存在的问题，提出一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法。
[0006]本专利技术的技术方案，一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法，包括构建数据采集平台、数字孪生模型、孪生数据驱动施工过程优化的数字孪生模型框架；构建可以实时输出每次打桩过程中核心参数的变化情况和远程可视化的将数据展现在施工人员面前的数字孪生模型系统；构建了包括沉桩过程数字孪生预防施工事故预测模型与沉桩过程数字孪生垂直度误差预测及纠正模型的沉桩过程数字孪生预测模型系统。通过所建立的模型可以远程检测沉桩过程，还可以实时输出沉桩过程的垂直度误差并预测后续垂直度误差，通过数字孪生系统的反馈数据再优化实际沉桩过程。数字孪生系统整体框架图如图1所示。
[0007]通过功能与特征分析，结合运动特性，将实际复杂的液压系统简化为一液压锤。再通过确定沉桩过程各部件的类型及功能，考虑到实际建模仿真的准确性要求，对替打件、替打环和桩体进行一比一建模。最终构建出由液压锤、替打件、替打环和桩体构成的沉桩过程简化三维模型，兼顾了增强仿真的准确性和减小计算时间的要求。沉桩过程简化三维模型图如图2所示。
[0008]通过对沉桩过程运行特性的分析，综合考虑实际施工所关注的核心数据，确定了以各部件位移x(包含三个分量)、各部件速度v(包含三个分量)、各部件加速度a、各接触面
间竖直接触力F
N
、各接触面间侧向力F
f
、锤击效率η、桩体垂直度误差μ为沉桩过程核心运行参数，并通过数字孪生系统远程可视化的展现给操作人员，方便现场施工人员检测沉桩过程和快速判断施工状态。
[0009]构建一套沉桩过程数字孪生预测模型系统，包含包括沉桩过程数字孪生预防施工事故预测模型与沉桩过程数字孪生垂直度误差预测及纠正模型两部分。
[0010]可以提前计算沉桩过程中的加速度与接触力并与提前设定好最大容许值进行比较，防止在沉桩过程中出现过大的加速度与接触力。数字孪生预防施工事故预测模型的流程框图如图3所示。
[0011]通过有限元仿真计算，得到垂直度误差预测曲线与侧向力预测曲线，且随着沉桩过程不断进行，预测曲线也会不断更新，保证沉桩过程安全进行。
[0012]垂直度误差在预测曲线中有超过最大容许垂直度误差的情况，可以根据仿真结果得到的侧向力预测曲线，通过沉桩辅助设备中的稳桩平台，提前给定一个纠正垂直度误差的侧向力，直到预测曲线中的垂直度误差在最大容许垂直度误差。数字孪生垂直度误差预测及纠正模型的流程框图如图4所示。
[0013]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益的技术效果：
[0014]1、构建了沉桩过程数字孪生模型，配合数据采集平台，实现了沉桩过程中核心参数的实时交互，可以对复杂的沉桩过程做到远程可视化实时监控。
[0015]2、沉桩过程中现有的检测方法为每相隔一定的锤击次数或桩体位移检测一次质量指标，不能连续的反映沉桩过程，难以预防贯入度剧变、桩身倾斜或桩出现严重裂缝等严重施工事故。本专利技术中构建的沉桩过程数字孪生防止施工事故预测模型可以连续的展现沉桩过程中相关参数的变化，方便现场施工人员检测沉桩过程快速判断施工状态。
[0016]3、本专利技术构建的沉桩过程数字孪生预防施工事故预测模型与沉桩过程数字孪生垂直度误差预测及纠正模型，可以在实际沉桩过程的施工基础上，结合有限元模型，预测施工过程后续的垂直度误差及侧向力。能够根据预测结果提前调整液压锤的输入参数，防止出现过大的垂直度误差，增加沉桩过程的安全性，提高了沉桩过程的施工效率。
附图说明
[0017]图1是本专利技术的系统整体框架图。
[0018]图2是本专利技术的各部件的简化三维模型。
[0019]图3是本专利技术的数字孪生预防施工事故预测模型的流程框图。
[0020]图4是本专利技术的数字孪生垂直度误差预测及纠正模型的流程框图。
[0021]附图标记：1、液压锤；2、替打环；3、替打件；4、桩体。
具体实施方式
[0022]本专利技术提出的一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法，构建沉桩过程数字孪生模型框架；
[0023]本专利技术基于数字孪生技术的方法对沉桩过程中各部件的特性进行建模，将几何/物理模型与数据建模方法结合起来，基于数字孪生技术及沉桩过程的运动特性，确立沉桩过程数字孪生系统的流程图如图1所示，主要包括数据采集平台、数字孪生模型、孪生数据
驱动施工过程优化三部分。
[0024]其中，数据采集平台主要由高应变打桩分析仪以及GPS、经纬仪、水准仪组成，采集的主要数据包括部件属性参数及运行参数两部分，如表1所示。
[0025]表1数据采集平台采集数据
[0026][0027][0028]静态数据是根据实际沉桩过程中设备情况得到的，作为常数输入到沉桩过程的数字孪生模型中去。实时测量的数据是通过高应变打桩分析仪以及GPS、经纬仪、水准仪以及其他传感器得到的，既用于构建数字孪生模型，也作为验证模型性能的参数。
[0029]数字孪生模型是在数据采集平台输出的数据及几何/物理模型的基础上构建的。首先基于测量的各部件几何尺寸及装配关系等参数，再通过功能分析，确定沉桩过程中各部件的功能，最终得到沉桩过程中各部件的简化三维模型，如图2所示。
[0030]基于上述确定的简化三维模型，将其导入ABAQUS中，结合几何、物理模型，在ABAQUS中对三维模型进行有限元分析。
[0031]有限元分析过程包含如下一系列步骤：
[0032]沉桩过程中各部件基本的材料属性设置，包括：密度、弹性模量、泊松比、刚度、接触的相关摩擦系数、阻尼；
[0033]各部件装配关系设置，即相对位置关系。
[0034]部件网格划分根据实际工况确定合适的网格本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法，其特征在于，包括以下具体步骤：S1、构建数据采集平台对沉桩过程中的数据进行采集、传输和处理；S2、对沉桩过程进行结构分析、功能分析和运动特性分析，构建沉桩过程数字孪生模型；S21、通过功能分析，确定沉桩过程中各部件的功能；S22、通过运动分析，确定沉桩过程中的运行参数；S23、通过结构分析，确定沉桩过程中数字孪生建模的主要部件、相对位置特征、划分独立的子系统，最终确定几何、物理模型；S3、基于沉桩过程数字孪生模型，将几何、物理模型和动力学机理模型融合，以替打件、替打环、桩的位移、接触力以及桩体的垂直度误差的特性表征参数作为观测变量，实现沉桩过程数字孪生建模，具体包括位移特性、接触力特性、锤击效率特性以及垂直度变化特性；S4、构建沉桩过程数字孪生预测模型，以孪生数据驱动沉桩过程的施工过程优化。2.根据权利要求1所述的一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法，其特征在于，基于S21、S23的功能分析、结构分析，确定沉桩过程中各部件的简化三维模型；其中，沉桩过程中输入能量的液压锤简化为圆柱状锤芯，其打击能量与频次作为系统中的输入参数；替打件、替打环为锤芯与桩之间的缓冲件，其位移与接触力为系统中的观测变量；桩为沉桩系统中的核心部件，其位移、竖直接触力、侧向力以及垂直度误差为系统中的观测变量。3.根据权利要求2所述的一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法，其特征在于，桩体的位移、竖直接触力、侧向力以及垂直度误差参数作为预测变量，以预测变量为指标，调控沉桩过程中的输入参数。4.根据权利要求1所述的一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法，其特征在于，基于S22的运动特性分析，确定沉桩过程中的运动特性参数为各部件的位移及加速度，位移及加速度为观测变量及预测变量；其中上述各观测变量及输入参数通过数据采集平台采集；其中数据采集平台包括高应变打桩分析仪、GPS、经纬仪、水准仪；高应变打桩分析仪输出锤击力、液压锤锤效率；GPS、经纬仪、水准仪测量桩的贯入度以及桩身垂直度误差。5.根据权利要求2所述的一种基于沉桩过程的数字孪生建模方法，其特征在于，将简化三维模型，导入ABA...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪中华，严岩，胡海斌，刘庭煜，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：